计算机基础知识

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一、发展史

早期工具

算盘、计算尺、机械计算器

第一代：电子管时代 (1946-1958)

核心：电子管

代表：ENIAC（第一台通用电子计算机，巨大耗电）、EDVAC（引入存储程序概念）。

特点：庞大、耗电、易坏、昂贵、使用机器语言，主要用于科学军事

第二代：晶体管时代 (1959-1964)

核心：晶体管取代电子管

优点：变小、省电、可靠、更快、便宜

发展：磁芯内存、高级语言（如FORTRAN）出现，应用扩展到商业

特点：更实用，进入商业领域

第三代：集成电路初期 (1964-1971)

核心：中小规模集成电路（芯片）

发展：成熟操作系统、小型机出现

第四代：大规模集成电路与微处理器 (1971年 - 现在)

核心：大规模和超大规模集成电路（微处理器）

革命：微处理器诞生

个人电脑革命：Altair、Apple II、IBM PC（普及标准）、图形界面（GUI）

网络：互联网、万维网。

性能：遵循摩尔定律，持续高速增长。

形态：巨型机、大型机、PC、笔记本、服务器、超级计算机、嵌入式设备。

特点：微型化、高性能、低成本、高可靠

当代与未来趋势

人工智能、云计算、大数据、物联网、量子计算

二、基础结构

计算机的基础结构，也称为计算机体系结构或计算机组织，指的是构成计算机系统的基本硬件组件及其相互连接和协作方式。其核心目标是执行程序和处理数据。经典模型是冯·诺依曼体系结构，主要包含以下关键部件：

1. 中央处理器 (CPU)

运算器 (ALU)：执行所有算术和逻辑运算

控制器：指挥和协调计算机所有部件的工作(取指令、解码、发出控制信号)

寄存器：CPU内部的高速小容量存储单元，存放指令、数据、中间结果或地址

2. 主存储器 (内存)

随机存取存储器 (RAM)：临时存储运行中的程序和数据。速度快、容量有限、断电丢失数据（易失性）

只读存储器 (ROM)：存储启动必需的基本程序。通常只读、断电不丢失数据（非易失性）、速度慢于RAM

高速缓存 (Cache)：位于CPU和主存间的高速小容量存储器。存储CPU近期频繁访问的数据和指令副本，加速访问

3. 输入/输出设备 (I/O Devices)

输入设备：将外部信息或指令送入计算机（如键盘、鼠标、麦克风）

输出设备：将处理结果输出（如显示器、打印机、扬声器）

输入/输出控制器 (I/O Controllers)：管理特定I/O设备，处理数据传输细节

4. 存储设备 (辅助存储器 / 外存)

用于长期存储大量程序、数据和文件。容量大、断电不丢失数据（非易失性）、速度慢于主存

常见类型：硬盘 (HDD)、固态硬盘 (SSD)、光盘、U盘、磁带

5. 系统总线 (Bus)

在CPU、内存、I/O设备间传输信息（数据、地址、控制信号）的电子通路

数据总线：传输实际处理的数据（双向）

地址总线：传输内存或I/O端口地址信息（单向，通常CPU发出）

控制总线：传输控制信号协调操作（双向）

三、二进制

二进制是一种数学数字系统，属于位置记数法。它仅使用两个符号：0和1

每个位的位置对应一个权重，权重是2的幂次方，从右向左递增最右边位权重为2的0次方（1），向左依次为2的1次方（2）、2的2次方（4）等

1.  进制转换

(1) 十进制转换为二进制

将十进制数不断除以2，记录余数（0或1），直到商为0。余数序列从下向上读取即为二进制结果

例如，十进制13：13除以2商6余1，6除以2商3余0，3除以2商1余1，1除以2商0余1；余数序列从下向上为1、1、0、1，因此二进制是1101

(2) 二进制转换为十进制

将每个位乘以其权重（2的幂次方），然后求和

例如，二进制110：最右边位0乘以1等于0，中间位1乘以2等于2，最左边位1乘以4等于4；求和0+2+4=6，因此等于十进制6

2.  位运算

位运算是在二进制位上进行的逻辑运算，基本运算包括

(1) 与（and）

两个位都为1时结果为1，否则为0

例如，0 and 0 = 0，1 and 1 = 1

(2) 或（or）

任意一个位为1时结果为1，否则为0

例如，0 or 1 = 1，1 or 1 = 1

(3) 非（not）

对单个位取反，0变1，1变0

例如，not 0 = 1

(4) 异或（xor）

  两个位不同时结果为1，相同时为0

  例如，0 xor 1 = 1，1 xor 1 = 0

多位运算按位独立运算

例如，二进制1010和1100进行与运算

  1010

  and 1100

  －－－－－

  1000

3.  原码、反码和补码

在计算机里面，二进制的第一位是符号位，0代表正，1代表负

(1).  原码

    就是带着符号位的，例如

    0000 0001    （＋1）

    1000 0001    （－1）

(2).  反码

    正数的反码就是本身

    负数的反码是除了符号位其他位全取反，例如

    1000 0001（原）＝ 1111 1110（反）

(3).  补码

    正数的补码就是其本身

    负数的反码是在它的反码的基础上＋1，例如

    1000 0001（原）＝ 1111 1110（反）＝ 1111 1111（补）

四、信息编码

1.  西文字符表示－－ASCII码

ASCII码用7个比特存储字符，总共 $2^{7} = 128$ 种，下面是一些常用字符的ASCII码

32 空格 00100000

33 ! 00100001

34 " 00100010

35 # 00100011

36 美元符号 00100100

37 % 00100101

38 & 00100110

39 ' 00100111

40 ( 00101000

41 ) 00101001

42 * 00101010

43 + 00101011

44 , 00101100

45 - 00101101

46 . 00101110

47 / 00101111

48 0 00110000

49 1 00110001

50 2 00110010

51 3 00110011

52 4 00110100

53 5 00110101

54 6 00110110

55 7 00110111

56 8 00111000

57 9 00111001

58 : 00111010

59 ; 00111011

60 < 00111100

61 = 00111101

62 > 00111110

63 ? 00111111

64 @ 01000000

65 A 01000001

66 B 01000010

67 C 01000011

68 D 01000100

69 E 01000101

70 F 01000110

71 G 01000111

72 H 01001000

73 I 01001001

74 J 01001010

75 K 01001011

76 L 01001100

77 M 01001101

78 N 01001110

79 O 01001111

80 P 01010000

81 Q 01010001

82 R 01010010

83 S 01010011

84 T 01010100

85 U 01010101

86 V 01010110

87 W 01010111

88 X 01011000

89 Y 01011001

90 Z 01011010

91 [ 01011011

92 \ 01011100

93 ] 01011101

94 ^ 01011110

95 _ 01011111

96 ` 01100000

97 a 01100001

98 b 01100010

99 c 01100011

100 d 01100100

101 e 01100101

102 f 01100110

103 g 01100111

104 h 01101000

105 i 01101001

106 j 01101010

107 k 01101011

108 l 01101100

109 m 01101101

110 n 01101110

111 o 01101111

112 p 01110000

113 q 01110001

114 r 01110010

115 s 01110011

116 t 01110100

117 u 01110101

118 v 01110110

119 w 01110111

120 x 01111000

121 y 01111001

122 z 01111010

123 { 01111011

124 | 01111100

125 } 01111101

126 ~ 01111110

2.  中文字符表示－－GB码

GB码即国标码，是汉字交换码，采用2个字节编码，可以对 $2^{7} × 2^{7} = 16384$ 个字符进行编码

常见的GB2312-80按使用频率将汉字分为一级汉字和二级汉字，其中一级汉字按拼音排序，二级汉字按部首排序。国标码先把汉字排列在一个94行94列的方阵里，每一行称为“区”，每一列称为“位”，于是就形成了一个一共有94个区，每个区有94位的字符集。由此引出了表示汉字的两种编码：区位码和国标码

区位码用十进制表示，国标码用十六进制表示。例如“国”字在表中的第25行90列，区位码为2590，国标码为397AH（ $2590_{10}=397A_{16}$ ）

3.  中文字符表示－－字形码

字形存储码是指供计算机输出汉字用的二进制信息，也称字模。通常采用的是数字化点阵字模。例如下面的“次”字，用的是16×16点阵

4.  Unicode码

Unicode码为每种语言中的每个字符（中文有几个没有很正常，别抬杠）都设定了统一切唯一的二进制编码。

UTF-8是目前世界上使用最广泛的一种Unicode编码方式

(1) UTF-8存储方式：

    ASCII字符（0-127）用1个字节存储。

    其他字符用2到4个字节存储，具体如下：

        2字节：前缀110，后面跟6位编码

        3字节：前缀1110，后面跟12位编码

        4字节：前缀11110，后面跟16位编码

(2) UTF-16存储方式：

    常用字符（U+0000到U+FFFF）用2个字节存储。

    较少见字符（U+10000到U+10FFFF）用4个字节存储，分为两个部分，每部分2字节。

五、计算机网络

计算机网络是指将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接起来，在网络操作系统，网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统

1.  计算机网络的定义

计算机网络是通过通信设备和线路将地理位置上分散的、具有独立功能的多个计算机系统互连起来，按网络协议相互通信，在功能完善的网络软件控制下实现网络资源共享和信息传递的系统

2.  计算机网络的功能

资源共享：硬件资源、软件资源和数据资源共享

数据通信：实现计算机之间的数据传输

分布处理：网络中的多台计算机可以协同完成某一任务

负载均衡：合理分配工作任务，提高处理速度和效率

3.  计算机网络的分类

(1)  按地理范围分类

    局域网（LAN）：覆盖范围通常在几公里以内，属于一个单位或部门

    城域网（MAN）：覆盖范围通常为几十公里，如一个城市

    广域网（WAN）：覆盖范围广，可以是一个国家或全球

(2)  按拓扑结构分类

    总线型：所有节点共享一条通信线路

    星型：各节点与中心节点相连

    环型：节点形成一个闭合环路

    树型：层次化的连接结构

    网状型：节点之间的连接任意，没有规律

4.  计算机网络的组成

(1)  硬件部分

    计算机系统：包括服务器、工作站等

    网络连接设备：如网卡、集线器、交换机、路由器等

    传输介质：如双绞线、同轴电缆、光纤、无线介质等

(2) 软件部分

    网络操作系统：如Windows Server、Linux等

    网络通信协议：如TCP/IP、IPX/SPX等

    网络应用软件：如浏览器、邮件客户端等

5.  计算机网络的标准和协议

OSI参考模型：开放系统互连参考模型，分为七层，从下到上依次为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层

TCP/IP模型：传输控制协议/互联网协议模型，分为四层，从下到上依次为网络接口层、网络层、传输层和应用层

6.  计算机网络的应用

互联网：全球最大的计算机网络，提供电子邮件、网页浏览、文件传输等服务

企业内部网：企业内部使用的计算机网络，用于内部信息交流和

虚拟专用网：通过公共网络建立的临时安全连接，实现远程访问

本章完，记得复习哦～